Des niveaux d'intégration plus élevés : généralement une bonne idée, mais pas toujours

La technologie des circuits intégrés délivre un message cohérent depuis plusieurs dizaines d'années : passer à des niveaux plus élevés d'intégration fonctionnelle est une bonne chose pour les applications entièrement numériques et à signaux mixtes. À mesure que les nouveaux composants intègrent une plus grande partie de la chaîne de signaux, les avantages sont multiples : simplicité accrue de la conception globale, réduction du nombre d'interconnexions, amélioration de la fiabilité, réduction de l'espace carte, suppression du risque d'incompatibilité entre les composants, réduction de la dissipation de puissance, garantie des performances au niveau du système, fiche technique plus complète et, bien sûr, réduction des coûts.

Mais l'intégration n'a pas qu'une seule facette. Les mêmes fournisseurs qui proposent de hauts niveaux d'intégration dans un seul circuit intégré lancent également des circuits intégrés hautes performances avec un minimum de fonctions, comme les amplificateurs opérationnels, pour servir de bloc fonctionnel de base.

À certains égards, ces deux facettes sont contradictoires. Après tout, pourquoi opter pour un amplificateur opérationnel à une seule fonction lorsqu'on peut « tout avoir » ou du moins « en avoir bien plus » grâce à un dispositif plus hautement intégré ? La réponse est compliquée, car tout dépend des spécifications des composants, de leur équilibre relatif les uns par rapport aux autres, de l'application et de ses priorités, et surtout des compromis associés.

Faire des compromis pour atteindre certains objectifs malgré les contraintes est une pratique de base de la conception et de l'expertise techniques. L'attractivité du dispositif plus hautement intégré doit être mise en balance avec les éventuels défauts de performances d'un paramètre critique par rapport à un bloc fonctionnel hautement optimisé à une seule fonction qui peut être utilisé pour construire un système complet. À titre d'exemple, nous allons utiliser deux composants très différents d'Analog Devices.

Le circuit d'entrée électrochimique AD5490 d'Analog Devices

Prenons le récent système AD5490 d'Analog Devices, un circuit d'entrée électrochimique complet pour les mesures potentiostatiques, ampérométriques et voltampérométriques, qui sont des exigences standard dans les expériences électrochimiques et biologiques (Figure 1).

Figure 1 : L'AD5490 d'Analog Devices est un circuit d'entrée électrochimique complet pour les expériences électrochimiques et biologiques. (Source de l'image : Analog Devices)

Ce circuit intégré est conçu pour mesurer les sorties de capteurs sur la vaste plage de 50 picoampères (pA, ou 10^-12 ampères) à 3 milliampères (mA, ou 10^-3 A). Il s'agit d'une plage courante dans les applications de bio-impédance comme l'évaluation de l'impédance de la peau et du corps, la surveillance de la glycémie en continu ou encore les tests d'impédance de batterie (Figure 2). Pour l'AD5490, le courant de polarisation d'entrée typique est de 20 ou 80 pA, selon le canal d'entrée sélectionné.

Figure 2 : L'AD5490 est optimisé pour les mesures du corps humain et la chimie biologique, comme cette boucle de bio-impédance haute fréquence à quatre fils. (Source de l'image : Analog Devices)

Il s'agit d'un circuit intégré complexe et sophistiqué, comme en témoigne sa fiche technique de 133 pages. Toute tentative de répliquer ses circuits avec des composants discrets serait un projet colossal. Outre son courant de polarisation d'entrée extrêmement faible, ce circuit intégré inclut des convertisseurs analogique-numérique (CAN), des convertisseurs numérique-analogique (CNA), des références de tension, une matrice de commutation et bien plus encore.

Compte tenu de toutes ces capacités, pourquoi un concepteur ne choisirait-il pas de l'utiliser ? Après tout, si ce circuit intégré permet d'atteindre les objectifs du projet, ce serait idiot et presque irresponsable d'essayer de construire un circuit comparable alors qu'il en existe un tout prêt qui permet d'éviter les maux de tête et les défis liés à la conception d'un circuit de A à Z.

L'amplificateur opérationnel ADA4530-1 d'Analog Devices

Toutefois, certaines applications nécessitent un courant de polarisation d'entrée encore plus faible, comme les capteurs optiques et les électromètres aux performances les plus élevées. Reconnaissant qu'il n'existe pas de solution universelle, Analog Devices a également lancé récemment l'ADA4530-1, un amplificateur opérationnel avec un courant de polarisation d'entrée de l'ordre du femtoampère (fA, ou 10⁻¹⁵ A). Il inclut également un tampon de protection intégré contre les différences de potentiel parasites qui pourraient entraîner un flux de courant indésirable (Figure 3).

Figure 3 : L'amplificateur opérationnel ADA4530-1 présente un courant de polarisation d'entrée de l'ordre du femtoampère et inclut des connexions de tampon de protection intégré (GRD) permettant de bloquer les différences de potentiel parasites qui pourraient entraîner un flux de courant indésirable. (Source de l'image : Analog Devices)

Même ce dispositif fonctionnellement simple présente de nombreuses subtilités, comme le prouve sa fiche technique de 52 pages. Son courant de polarisation d'entrée est inférieur de trois ordres de grandeur à celui du circuit d'entrée intégré AD5490, et il présente un coefficient de température faible jusqu'à environ 60°C (Figure 4). Il s'agit là de deux spécifications très impressionnantes pour ces attributs à la fois subtils et essentiels dans les applications visées.

Figure 4 : Le graphique du courant de polarisation d'entrée de l'ADA4530-1 par rapport à la température montre qu'il reste à un niveau inférieur ou proche de 0,1 fA jusqu'à 55-60°C, offrant ainsi une bonne stabilité et une réduction des erreurs quant aux performances du système. (Source de l'image : Analog Devices)

Étant donné que ce dispositif se concentre principalement sur un seul paramètre (un courant de polarisation extrêmement faible), il peut être utilisé dans un flux de conception, de traitement et de fabrication optimisé pour cet attribut, mais peut être moins adapté à d'autres fonctions associées comme les CAN, CNA ou références de tension.

Conclusion

En général, la tendance qui vise une intégration supérieure s'avère payante pour les fournisseurs et les concepteurs. Néanmoins, comme c'est le cas avec l'ADA4530-1, il existe des situations où des blocs individuels de bas niveau, optimisés chacun pour un attribut spécifique, ont toujours leur place. C'est particulièrement vrai lorsque la priorité concerne des circuits analogiques sensibles à faible bruit de CC à RF et que le projet nécessite également des fonctions analogiques/numériques mixtes, voire des fonctions exclusivement numériques comme les processeurs et les mémoires de différents types.

Si vous hésitez entre utiliser un produit plus intégré et concevoir votre propre produit à l'aide de composants discrets, il peut être utile de vérifier les dernières versions des fournisseurs concernés, car les options évoluent rapidement. Cependant, dans certains cas, un simple dispositif à une seule fonction, hautement optimisé et sans compromis, sera essentiel pour avoir une conception globale réussie.

Même si certains trouveront sans doute de nombreux avantages à l'ADA4530-1, ils devront aussi concevoir eux-mêmes les circuits associés. Il s'agit là d'un compromis à étudier soigneusement afin de décider si les avantages qui en découlent en valent la peine. Toutefois, les exigences applicatives et les pressions de la concurrence imposeront peut-être d'elles-mêmes la décision.

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